Plug & Play Antriebs- und Steuerungskonzepte für die Produktion von morgen. Gerhard Grunwald Institut für Robotik und Mechatronik.

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1 Plug & Play Antriebs- und Steuerungskonzepte für die Produktion von morgen Gerhard Grunwald Institut für Robotik und Mechatronik Projektpartner Institut für Robotik und Mechatronik KUKA Roboter Group Schunk GmbH & Co.KG TRUMPF Laser GmbH & Co.KG Lenze Drive Systems GmbH Abschlusspräsentation PAPAS Kommunikation 28. Juni

2 Übersicht Einführung in das Projekt und die Projektstruktur Kommunikation Was ist Plug-And-Play? Anforderungen an die Echtzeitkommunikation in der Handhabung Vergleich und Bewertung existierender Bussysteme Wie wird Plug-And-Play busunabhängig! realisiert? Implementierung Zusammenfassung und Ausblick Abschlusspräsentation PAPAS Kommunikation 28. Juni Schwerpunkte von PAPAS Neue Robotersysteme Produktinnovationen Anwendungen (3) Steuerung Industrieroboter Kart. Steuerung Kuka Basissteuerung DLR Entwurfstechnologien für Plug and Play (1) Kommunikation (2) Abschlusspräsentation PAPAS Kommunikation 28. Juni

3 PAPAS - Kommunikation Was ist Plug-And-Play? Welche Anforderungen werden an das Kommunikationssystem gestellt? Wie kann man in der Handhabungs- und Automatisierungstechnik das Konzept Plug-And-Play busunabhängig! realisieren? Abschlusspräsentation PAPAS Kommunikation 28. Juni Plug & Play: Die Idee Einstöpseln und Loslegen In Analogie zur Office-Welt z.b. USB-Speicher Einstecken in USB-Port automatisches Erkennen der Geräteklasse Laden des passenden Treibers das Gerät wird als Laufwerk in das System eingebunden Aber so einfach ist das in der Produktionstechnik nicht! Abschlusspräsentation PAPAS Kommunikation 28. Juni

4 Plug-and-Play: Varianten cold connect: - alle Geräte im abgeschalteten Zustand verbinden - dann Gesamtsystem hochfahren hot connect: ein Gerät im eingeschalteten Zustand hinzufügen oder entfernen auf dem Bus zu diesem Zeitpunkt zirkulierende Telegramme dürfen dabei verloren gehen Teilnehmer am Bus dürfen temporären Störzustand einnehmen Teilnehmer und Bus müssen sich selbständig regenerieren können Anwendung mit Buszugriff darf durch Störung nicht beeinträchtigt werden. coordinated connect: Variante von hot connect, welche die Zufälligkeit des Ein- bzw. Aussteckens ausschließt Teilnehmer werden durch Benutzer und Programm oder programmgesteuert koordiniert hinzugefügt oder abgemeldet Abschlusspräsentation PAPAS Kommunikation 28. Juni Plug-and-Play: Stufen vollständig: Gerät wird eingesteckt, sofort erkannt und kann ohne weiteres Zutun des Benutzers verwendet werden Treiber werden automatisch gefunden, konfiguriert und ins System eingebunden. halbautomatisch: Gerät wird eingesteckt und Gerätetyp/-klasse wird erkannt Treiber muss von externer Quelle nachgeladen werden (Diskette/CD/Internet) Benutzerinteraktion erforderlich ansonsten Ablauf wie bei vollständigem PnP, d.h., keine weitere Konfiguration durch den Benutzer notwendig konfigurierbar: wie halbautomatisch, nur mit dem Unterschied, dass Benutzer bestimmte Konfigurationen von Hand vornehmen muss Abschlusspräsentation PAPAS Kommunikation 28. Juni

5 Leistungsanforderungen and das unterlagerte Bussystem Zyklische (deterministische) und azyklische Datenübertragung Zyklustakt typisch 1 KHz, maximal 8 KHz Synchronisation Jitter maximal 1µs Teilnehmeranzahl bis zu 100 Teilnehmerabstand bis zu 100 m Datenraten bis zu 20 MByte/s Topologie Bus oder Stern Busverwaltung Single- oder Multi-Master Automatisches Erkennen und Einbinden von Teilnehmern Abschlusspräsentation PAPAS Kommunikation 28. Juni Bewertungskriterien Technik Echtzeitfähigkeit - minimale Zykluszeit - Anzahl Teilnehmer - Synchronisierung Technik Allgemein - Einfachheit der Verdrahtung - Plug and Play - Integration Safety (Sicherheitstechnik) Offenheit Standardisierung - Industriestandard/Nutzergruppe - Trennung zwischen Kommunikations- und Geräteprofil Kosten Verfügbarkeit - Kosten einer aktiven Kommunikationsanschaltung - Typische Zusatzkosten für ein intelligentes Gerät Werkzeuge für Engineering und Diagnose Abschlusspräsentation PAPAS Kommunikation 28. Juni

6 Bewertungskriterien Anwendungsszenario 1 Industrieroboter (single Master) Roboter mit intelligentem Technologiemodul und interner Modulkommunikation (alle Komponenten am selben Bus!) Abschlusspräsentation PAPAS Kommunikation 28. Juni Anwendungsszenarien Bewertungskriterien (2) Intelligente Technologiemodule mit interner Modulkommunikation (Roboter möglich als ein gekapseltes Technologiemodul) Use Case 2 (3) Roboter an Technologiesteuerung (jeweils gekapselte Systeme) Use Case 3 Abschlusspräsentation PAPAS Kommunikation 28. Juni

7 Anwendungsszenario 4 Serviceroboter (single Master) Bewertungskriterien Abschlusspräsentation PAPAS Kommunikation 28. Juni Betrachtete Kommunikationssysteme Um die zu vergleichenden Kommunikationssysteme in überschaubarem Rahmen zu halten, wurden nur Systeme ausgewählt, die potentiell die von den Partnern benötigten Performanceanforderungen erfüllen können. (Stand 2003) Sercos IEEE1394 Firewire (mit dem Protokoll IAP1394) PROFInet V3 Ethernet Powerlink EtherCAT Abschlusspräsentation PAPAS Kommunikation 28. Juni

8 Auswertung Sercos Firewire (IAP) Profinet V3 Powerlink EtherCAT Bewertungskriterium Gew. [%] Erläuterung Bew. Erg. [%] [%] Erläuterung Bew. Erg. [%] [%] Erläuterung Bew. Erg. [%] [%] Erläuterung Bew. Erg. [%] [%] Erläuterung Bew. Erg. [%] [%] Technik-Echtzeit Technik Allgemein Offenheit/Standards Kommerziell/ Verfügbarkeit Werkzeuge für Engineering/Diagnose 25 IEC IEEE Ethernet Ethernet Ethernet Ergebnis (max. 100) Use Case Use Case Use Case Use Case Ergebnis (max. 100) Abschlusspräsentation PAPAS Kommunikation 28. Juni Busunabhängigkeit? Wie kann man in der Handhabungs- und Automatisierungstechnik das Konzept Plug-And-Play busunabhängig! realisieren? Application Layer z.b. Robotersteuerung oder Arbeitszelle Presentation Layer PAPAS Plug And Play Data Link Layer Physical Layer Bussystem: z.b. Ethernet Abschlusspräsentation PAPAS Kommunikation 28. Juni

9 Schichtenmodell PAPAS-Anwendungen Application Layer Geräteprofile Anwendungs-/ Branchenprofile Presentation Layer PAPAS Plug And Play Data Link Layer Physical Layer Kommunikationsprofil Abschlusspräsentation PAPAS Kommunikation 28. Juni CANopen Profile Abschlusspräsentation PAPAS Kommunikation 28. Juni

10 Protokoll: CANopen-Profile CiA DSP-404 V1.2 Device Profile Measuring Devices and Closed-Loop Controllers CiA DSP-404/1 V1.0 Nahtverfolgungssensoren Meta-Scout SCOUT Servo-Robot Seam Tracking System CiA DSP-404/2 V1.0 Laser-Featuresensoren cmt 3D-Feature-Sensor Perceptron Digital Tricam-Sensor CiA DSP-404/3 V1.0 Laser-Abstandssensoren LMI Laser Distance Sensor CiA DSP-404/4 V1.0 Kraft-Momenten-Sensoren SCHUNK Kraft-Momenten-Sensor FTC 50 Abschlusspräsentation PAPAS Kommunikation 28. Juni Protokoll: CANopen-Profile CiA DSP-404 V1.2 Device Profile Measuring Devices and Closed-Loop Controllers CiA DSP-404/1 V1.0 Nahtverfolgungssensoren Meta-Scout SCOUT Servo-Robot Seam Tracking System CiA DSP-404/2 V1.0 Laser-Featuresensoren cmt 3D-Feature-Sensor Perceptron Digital Tricam-Sensor CiA DSP-404/3 V1.0 Laser-Abstandssensoren LMI Laser Distance Sensor CiA DSP-404/4 V1.0 Kraft-Momenten-Sensoren SCHUNK Kraft-Momenten-Sensor FTC 50 Abschlusspräsentation PAPAS Kommunikation 28. Juni

11 Roboterprofil Roboterprofil XIRP: "XML-basiertes Kommunikationsprotokoll für Industrieroboter und prozessorgestützte Peripheriegeräte - Teil 1: Allgemeine Vereinbarungen" Ausgangsbasis war das BMBF-Projekt ARIKT VDMA Einheitsblatt Weitere Wünsche an ein Roboterprofil: Abbildung der spezifizierten XML Strukturen auf echtzeitfähige (binäre) Informationsübertragung Redundanzbehandlung Weitere Regelungsbetriebsarten jenseits Positionsregelung, d.h. Steifigkeitsregelung, Nachgiebigkeit Zyklisch Interpolierte Betriebsart Geschwindigkeits-, Beschleunigungs- und Drehmomenten- Schnittstelle in der zyklisch interpolierten Betriebsart Abschlusspräsentation PAPAS Kommunikation 28. Juni Implementierung des PnP Robot Description Robot Controller Application Layer OBAP-SAP Command Interface Diagnostic/Error Interface Process Data Interface Presentation Layer Command Interfaces Pipe Interfaces Open Serial Bus Services Bus Management Client Services Configuration Management Data Transfer Management Process Data Management Process Data Pipes EtherCat Host Controller Driver Open Serial Bus Host Controller Driver Sercos Host Controller Driver Ecat-SAP Serc-SAP Data Link Layer EtherCat Master Controller FoE EoE SoE CoE EtherCat PD Bus Description Sercos Master Controller ID Service NIC-SAP NIC-SAP Physical Layer ECat Sercos Abschlusspräsentation PAPAS Kommunikation 28. Juni

12 Schema für EtherCAT s PAPAS Treiber EtherCAT Treiber Ethernet Chip PAPAS-EtherCAT Schnittstelle Software/Hardware Schnittstelle Abschlusspräsentation PAPAS Kommunikation 28. Juni Implementierung: EtherCAT s PAPAS Treiber EtherCAT Treiber Ethernet Chip Das Interface zum EtherCAT Bus ist mit einem Standard Ethernet Chip realisiert. Ein hardwareabhängiger, deterministischer EtherCAT - Treiber mit prioritätsgesteuerter Telegrammverwaltung dient als direktes Interface zum unterlagerten Ethernetchip. Durch eine Abstraktionsschicht zum übergeordneten PAPAS-Treiber ist ein Austausch der Hardware d.h. Ethernetchip leicht möglich. Abschlusspräsentation PAPAS Kommunikation 28. Juni

13 Implementierung: PnP s PAPAS Treiber EtherCAT Treiber Ethernet Chip Der hardwareunabhängige PAPAS-Treiber repräsentiert die Kommunikationsschicht zwischen den PAPAS Clients und dem EtherCAT Treiber. Er beinhaltet unter anderem eine Zustandsmaschine der einzelnen Busteilnehmer und erlaubt so das Reagieren auf Zustands - Änderungen im laufenden Betrieb Plug & Play Abschlusspräsentation PAPAS Kommunikation 28. Juni Implementierung PAPAS-Clients s PAPAS Treiber EtherCAT Treiber Ethernet Chip Die PAPAS Clients, sind die Anwendungen, welche im Rahmen des Projektes erstellt werden bzw. bereits erstellt wurden. Alle PAPAS - Clients sind durch eine grafische Benutzeroberfläche bedienbar und werden nach Bedarf automatisch durch den PAPAS- Treiber gestartet (Plug & Play Funktionalität). Abschlusspräsentation PAPAS Kommunikation 28. Juni

14 Implementierung und Demonstration EtherCAT als unterlagertes Bussystem KUKA Leichtbauroboter mit Steuerung Greifer der Firma Schunk Programmierbare Focussieroptik (PFO) der Firma TRUMPF Steifer Kraft / Momentensensor des DLR Abschlusspräsentation PAPAS Kommunikation 28. Juni Zusammenfassung und Ausblick Plug-And-Play wird Eingang in die Handhabungsund Automatisierungstechnik finden. Inhaltlich sehr nahe am Marktgeschehen Es war ein sehr interessantes und vielfältiges Projekt. National und international gab und gibt es eine große und positive Resonanz. Auch wenn wir schon viel erreicht haben: Es gibt noch viel mehr zu tun. Abschlusspräsentation PAPAS Kommunikation 28. Juni